Massive MIMO小区基于负荷的传输模式自适应技术研究

1 引言

在LTE系统中，协议定义了TM1到TM9共9种传输模式（Transmission Mode，简称为TM模式），用于标志UE PDSCH的搜索空间。传输模式即UE的PDSCH的传输方案[1]。

传输模式通过高层信令在PDCCH信道下发，由系统半静态配置。传输模式通过RRC信令下发给UE，每种传输模式有对应的DCI格式，UE根据传输模式和DCI格式就可以确定PDSCH使用的传输方案[2]（Transmission Scheme）。

不同的多天线传输方案对应不同的传输模式。到标准协议Rel-10为止，LTE支持9种TM模式。它们的区别在于天线映射的不同特殊结构，以及解调时所使用的不同参考信号（小区特定的参考信号或UE特定的参考信号），以及所依赖的不同CSI反馈类型[3]。

① TM 1：单天线端口传输（使用port 0），应用于单天线传输的场合。

② TM 2：发射分集模式，适用于小区边缘信道情况比较复杂，干扰较大的情况，也可用于UE高速移动的情况。使用2或4天线端口。发射分集是默认的多天线传输模式，它通过在不同的天线上发送相同的数据实现数据冗余，从而提高SINR，使得传输更加可靠。

③ TM 3：大延迟分集的开环空分复用，适合UE高速移动的场景；使用2或4天线端口。

④ TM 4：闭环空间复用，适合信道条件较好的场合，用于提供较高的数据传输速率；使用2或4个天线端口。

⑤ TM 5：MU-MIMO传输模式，主要用来提高小区的容量；使用2或4天线端口。TM 5是TM 4的MUMIMO版本。

⑥ TM 6：Rank 1的传输，主要适用于小区边缘的情况，使用2或4天线端口。

⑦ TM 7：单流波束赋形，主要适用于小区边缘的UE，能够有效对抗干扰，只使用port 5。

⑧ TM 8：双流波束赋形，可用于小区边缘的UE，也可用于其它场景。使用port 7和port 8，每个port对应一个UE特定的参考信号，这2个参考信号通过2个正交的OCC（orthogonal cover code）区分。在空分复用下，这2个OCC和对应的参考信号被用于这2层的传输[4]。

⑨ TM 9：支持最多8层的传输，主要是为了提高数据传输速率。使用port 7～14。

5G系统中普遍采用TDD MIMO（Multiple-input Multipleoutput，多入多出技术），它最大优势MU-BF（Multi-user Beamforming，多用户配对波束赋形）是指允许多个UE在同一个时频资源上配对，为每个UE传输1或2流数据，同时传输最多24流数据。其中，这些配对用户要处于BF传输模式下才能进行配对。对于非天选用户，TM7传输模式进行配对；对于天选用户，TM8传输模式下，每个UE最多支持2流参与配对。eNodeB根据配对条件决定配对UE以及每个UE发送的下行数据流数，然后根据迫零准则为对应的下行数据流生成正交权值[5]。5G基站gNodeB利用这些正交权值分别对每个下行数据流的数据符号与DMRS符号进行加权，经过加权的符号合并后从eNodeB天线端口发送出去，实现在同一个时频资源上传输多个下行数据流，从而提高下行频谱效率。因此 MIMO（以下简称MM）容量性能的发挥依赖于Beamforming（以下简称BF）用户的比例，以及BF用户在模式下的性能。

2 基于负荷的传输模式自适应技术原理

2.1 基于负荷的传输模式自适应技术原理

传输模式即gNodeB和UE之间的PDSCH的传输方案。传输模式信息通过RRC信令下发给UE，UE根据传输模式信息确定PDSCH使用的传输方案。如表1所示为不同传输模式之间的传输方案对比。

表1 不同传输模式之间的传输方案对比[6]

正常情况下，UE传输模式随信道质量条件的变化选择最优频谱效率的模式进行数据传输，如图1所示。

图1 不同SINR下UE传输模式对应频谱效率对比

如图2所示为TM7模式自适应调整流程。当MM小区负荷达到一定程度之后，让小区内所有用户强制切换进BF模式，提升MUBF配对概率，提升MM小区整体容量和用户体验速率。

图2 TM7模式自适应调整流程

2.2 重载切换BF模式算法流程

在MM小区，当用户数较多的重载场景，为了获取更高的小区空间复用层数（MUBF），需要考虑让更多的用户进入BF模式，重载场景UE优先切换到TM7模式，从而提升下行频谱效率和用户下行体验速率[7]。如图3所示为重载切换BF模式算法流程。

（1）开启重载TMA增强算法开关，实时监控小区的用户数和负荷状态。

（2）重载场景判断

当小区待调度用户数大于设置的门限时，gNodeB会将UE的传输模式从TM2、TM3或TM9wPMI切换到TM7，以获得更优的配对增益，从而提升小区吞吐量。可配对多层的场景下，用户数门限设置的越低，UE越容易按TM7进行MU-BF配对。

图3 重载切换BF模式算法流程

当小区待调度用户数到达设置的门限且开启双流天选用户MU-BF时，gNodeB允许天选用户的传输模式从TM2、TM3或TM9wPMI切换到TM8，以获得双流配对增益，从而提升小区吞吐量。

（3）统计重载场景下小区级TMA和目标BF模式下的小区整体历史频谱效率，如果进入BF模式进行配对的频谱效率更高，那么就执行传输模式强制切换功能。

（4）自动选择使小区整体频谱效率最优的传输模式，执行终端传输模式切换命令。

2.3 传输模式自适应协同特性

① 入网传输模式优化

开启TMA后，由于TM2切换到TM7需要时间，可能导致TM2 UE比例较高，最终导致下行配对层数偏低。为此可以把UE入网时的传输模式更改为TM7提升。

② 切换用户BF模式门限优化

同频切换用户的源和目标小区的PCI Mod 3相同且开启了BF模式的场景下，提升切换用户进入BF模式的概率，提升下行吞吐率。

在明清之际女诗人走出闺门、个性张扬的潮流下，商景兰将毕生精力与才华坚守于闺阁之内，在视野狭深的闺阁题材中拓展了时空维度，融入了对精神家园的追寻与个体意义的深度思索，使其诗不论从思想内蕴还是艺术技巧上都较当时活跃在诗坛上的年轻一代诗媛更为成熟，成为女诗人家族中开拓深化闺阁诗境的翘楚。商景兰的创作成就足以体现明清易代对于女性文学影响之深远，不管作者主动或者被动地改变创作的基调。毕竟面对这场空前的家国之变，女性已无法置身事外。

③ 4收和8收终端传输模式自适应优化

优化4收终端在256QAM调制方式下的TM3 Rank2和TM9四流的切换门限。本优化生效时，对于4收终端，在上述偏置的基础上再额外增加一个偏置，使得4收终端相较于8收终端更难从TM3 Rank2切换到TM9闭环Rank3～Rank8[8]。

在假天选识别开关打开时，优化非天选4收终端和8收终端的TM3 Rank2和双流BF的切换门限。识别出真天选终端和假天选终端。本优化生效时，对于非天选(包括假天选)并且4收或8收终端，在上述偏置的基础上再额外增加一个偏置(64QAM和256QAM下的偏置不同)，使得这类终端更容易进入BF双流。对于Massive MIMO小区，如果识别出是假的4收天选终端和8收天选终端，那么尽量让这些终端更容易进入TM7进行MUBF配对。

3 基于负荷的传输模式自适应技术增益影响分析

3.1 增益影响分析

当同时满足以下要求时，建议开通重载UE切换到TM7优化功能。否则，开通该功能后无增益。

① RANK≥2的用户占比大于70%的场景。

② 每小区下行激活用户数2～4个。

eNodeB根据UE的无线信道质量，自适应为UE选择合适的传输模式，以获取最佳频谱效率。改功能实施后，重载场景小区BF用户比例会提升，MUBF配对层数也会增加。用户下行频谱效率和用户下行体验速率会同步提升。

3.2 对网络的影响

① 开启重载TMA但未开启入网传输模式控制时，由于TM2切换到TM7需要时间，可能导致TM2 UE比例较高，最终导致下行配对层数偏低。

③ 在多流用户占比高的场景，小区空间复用层数会增加。

④ 由于重载TMA增强会进行小区级传输模式的尝试，因此开启重载TMA增强可能导致小区频谱效率波动。

⑤ 4R和8R终端传输模式自适应优化生效后可以提高BF比例（TM9wPMI占比可能降低），提升用户下行频谱效率和下行体验速率。

4 基于负荷的传输模式自适应技术应用效果

本特性在商用网很多局点已经验证，后台需要配置高负载识别门限：用户数>高负载识别门限+偏置；分别测试轻载重载时的TM7比例和配对层数，以及频谱效率等指标，如图4～图7所示。随着负荷的变化，TM7比例发生明显的变化，轻载TM7比例低，重载基本90%以上用户都进BF模式做业务，配对层数也相应提升。

图4 RRC连接用户数随时间变化曲线

图5 下行最大激活用户变化曲线

对比用户数变化趋势可以看出TM7比例和配对层数随负荷变化明显。小区吞吐率随时间变化趋势如图8所示，从图中可以看出配对层数越高，小区吞吐率越高，说明MM小区频谱效率越高。

图6 TM7占比随时间变化曲线

图8 小区吞吐率随时间变化趋势

5 总结

本文主要介绍了5G MM小区基于负荷的传输模式自适应功能的实现原理以及实际应用效果。轻载场景根据用户实际信道环境选择合适的传输模式，优先保证单用户体验速率最优；重载场景，优先保证MM小区容量，尽量让用户进入TM7模式做业务，提升MUBF配对层数和配对概率，保证整体用户体验最优。本研究成果最终实现提升频谱的利用率，最大化MM的商用价值。